（物理电子学专业论文）新型二元红外传感控制器的研制.pdf

摘要 传感器作为传感网组网的基础节点，对传感网的性能、可靠性等方面起着决 定性的作用。而红外系统以其良好的环境适应能力( 可以在夜间和恶劣的天气下 工作) 、隐蔽性好、不易被干扰、体积小、质量轻、功耗低等优点成为现在主要 的探测方式。 项目信号探测部分( 0 2 0 0 ) 旨在开发一款低成本、低功耗、高可靠性、高 精度的新型感知控制器件。为传感网的实现提供一种简单可行、可靠性高的方式。 以双路探测电路为基础，将探测到的差分信号做为物体定位的基础，通过一定的 算法实现对物体角度的判断( 单颗芯片完成) 。在单芯片探测的基础上实现组网 式的探测，结合“信号处理单元模块”即可对物体所处状态的具体信息做出准确 的判断，并给出较详细数据。 在对远红外信号探测处理方面，本文采用多速率开关电容滤波器结合抽取滤 波器的方法来接收处理由热释电红外传感器产生的信号，实现了对超低频微弱信 号更可靠更精确的探测。 论文首先介绍了红外技术的发展概况，然后根据测试板得出的相关数据对系 统的结构和各级模块的设计指标作出了定义并完成了晶体管级电路的设计和仿 真并参与完成了电路的版图设计，目前该电路正处于m p w 阶段。 芯片采用华虹n e c 的o 3 5 , a m ，5 vc m o s 工艺。 关键字：远红外信号；传感网；开关电容滤波器 a b s t r a c t s e n s o ra st h eb a s i cn o d e sf o rs e n s o rn e t w o r kp l a yt h ed e c i s i v er o l ei nt h e p e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t y , e t co ft h es e n s o rn e t w o r k n o w , t h ei n f r a r e ds y s t e ma st h e m a i nd e t e c t i o nm e t h o d sf o ri t sg o o de n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t y ( c a nw o r ki nt h en i g h t a n dt h eb a dw e a t h e r ) ，h i d d e n ，a n dn o tb ed i s t u r b e d ，s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，e t c s i g n a ld e t e c t i o np a r to ft h ep r o j e c t ( i v 0 2 0 0 ) i si no r d e rt od e v e l o pal o w - c o s t ， l o w - p o w e r , h i f g hr e l i a b i l i t y , h i g h - p r e c i s i o nd e t e c t o ra n dc o n t r o ld e v i c e i v 0 2 0 0 p r o v i d eas i m p l ea n df e a s i b l e ，r e l i a b l ew a yf o rt h en e t w o r k i n go ft h es e n s o rn e t w o r k w i t ht h ed u a ld e t e c t i o nc i r c u i t ，t h es y s t e mw i l lg i v et h ep o s i t i o n i n go ft h eo b j e c t si n t h ed e t e c t i o nz o n et h r o u g hac e r t a i na l g o r i t h mb a s e do nt h ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ( as i n g l e c h i pc o m p l e t e ) w i t ht h eb a s i so fs i n g l ec h i p ，w ew i l la c h i e v en e t w o r kt y p ed e t e c t i o n ， a n dc o m b i n e dw i t h “s i g n a lp r o c e s s i n gu n i tm o d u l e ”w ec a nm a k ea c c u r a t ej u d g m e n t s a n d g i v em o r ed e t a i ld a t a i nt h e f a r - i n f r a r e ds i g n a ld e t e c t i o np r o c e s s i n g , w eu s em u l t i r a t es w i t c h e d c a p a c i t o rf i l t e ra n dd e c i m a t i o nf i l t e rt or e c e i v ea n dp r o c e s st h es i g n a lf r o mt h ep i r ， t h es y s t e mr e a l i z eam o r er e l i a b l ea n da c c u r a t ed e t e c t i o no ft h eu l t r a l o w - - f r e q u e n c y w e a k s i g n a l t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fi n f r a r e dt e c h n o l o g yo v e r v i e w , a n dt h e n a c c o r d i n gt ot h ed a t ao ft h et e s tb o a r df i n i s h e st h ed e s i g no ft h es y s t e ma n da l ll e v e l s o ft h em o d u l es t r u c t u r ea n dc o m p l e t e dt h et r a n s i s t o rl e v e lc i r c u i t d e s i g n a n d s i m u l a t i o n ，a n dp a r t i c i p a t e di na n dc o m p l e t e dt h el a y o u td e s i g no ft h ec i r c u i t n o w , t h ec i r c u i ti si nt h es t a g eo fm p w t h ec h i pd e s i g nu s et h ep r o c e s so fh u a h o n g n e c s0 3 5 u r n ，5 vc m o s k e yw o r d ：f a r - i n f r a r e ds i g n a l ；s e n s o rn e t w o r k ；s w i t c hc a p a c i t a n c e f i l t e r 第一章绪论 1 1 项目研究背景 第一章绪论 传感器作为传感网组网的基础节点，对传感网的性能、可靠性等方面起着决 定性的作用。红外系统以其良好的环境适应能力( 可以再夜间和恶劣的天气下工 作) 、隐蔽性好、不易被干扰、体积小、质量轻、功耗低等优点作为现在主要的 探测方式。现阶段比较多的是利用菲涅尔透镜产生温度变化使热释电传感器产生 电信号从而探测移动的物体。该探测方式在探测精度、可靠性、灵敏度等方面有 着很大的局限性。另外一种就是利用微波+ 被动探测封装在一个壳体内的双鉴探 测器。只有两路都接收到信号时才报警，实现了“与 的探测方式，在性能、处 理效果、应用范围等方面都有了很大的提高。但在功耗、精度、成本方面还是有 其局限性。 红外制导技术是综合红外成像，图像处理，自动控制，计算机技术等多门学 科的一项综合性技术，它的发展依赖于相关科学技术的发展。国内外在红外制导 的成像技术，目标检测技术，识别跟踪技术等技术方面展开了广泛的研究，并取 得了不少成就。 随着红外成像器件和现代大规模集成电路的发展，红外信号处理技术也从一 维波信号处理技术发展n - 维、三维图像处理技术，由于具有较强的抗干扰能力， 逐渐成为目标识别技术的主流，特别是现代的数字信号处理( d s p ) 技术的发展， 为数字化红外图像处理提供了强有力的技术支持。 另外，现在鉴于探测的精度要求，需开发多路或者阵列式的探测矩阵，以实 现对物体具体信息的准确判断。 所以，开发出一款适应传感器发展需求的新型应用器件，是传感网实现的技 术基础 1 2 红外技术概述 红外技术是- f - j 研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及应用的科学，其 研究范围主要包括红外辐射特性、背景特性、红外元器件和部件的研制、红外信 新型二元红外传感控制器的研制 号的检测和应用。近年来，在军事技术发展的推动下，红外技术也得了很大的进 步【。 自然界中，任何高于绝对零度的物质都会向辐射各种波长的红外线，这种现 象即为热辐射。红外线是一种人眼不可见的光波，它是由于物质内部的分子、原 子运动而产生的电磁辐射，也就是是电磁频谱的一部分，它的波段是介于可见光 和微波波段之f 1 ( o 7 5 朋1 0 0 0t u n ) 。通常来讲，按波长可以把红外光谱分为4 个 波段：近红外( o 7 5 a n 3 朋) 、中红外( 3 o n 一6 幽m ) 、中远红外( 6 | “r ，l 一4 0 朋) 和远 g r 夕b ( 4 0 i o n 1 0 0 0 搠) 。另外，由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的 “窗口 区，即1 3 删、3 5 朋、8 1 5 o n 可让红外辐射通过。其辐射的强度和 物体的温度有关，当目标物体的温度越高时，其所辐射的红外线的强度也就越大。 红外探测的器件正是接收这种辐射而给出相应的信号。 红外系统具有如下几方面的优, 点1 2 1 ： 1 、良好的环境适应能力，可以在夜间及恶劣气象条件下工作； 2 、可以依靠目标和背景之间各部分的温度和发射率形成的红外辐射进行测 量，且隐蔽性好，不易被干扰； 3 、红外系统体积小，质量轻，功耗低。 随着红外技术的发展，红外技术在军事领域和民用工程中都取得了广泛应 用。在军事领域主要有：( 1 ) 军事侦查、搜索和预警；( 2 ) 探测发现和跟踪识别； ( 3 ) 全天候监控和夜视；( 4 ) 瞄准；( 5 ) 导弹制导；( 6 ) 红外成像相机；( 7 ) 水下探潜、 探雷技术等。在民用工程领域主要有；( 1 ) 气象预报、地貌学、环境监测、遥感 资源调查等领域；( 2 ) 地下矿产测温和测气；( 3 ) 电力、消防、石化以及医疗和森 林火灾预报；( 4 ) 传感网等。 在红外光谱的波段中，远红外波段的研究探索已经取得了很大的进展，目前 已经展开了许多基础研究。远红外技术在工业中的应用主要集中在以下几个方面 1 3 】： 1 、远红外热像仪 远红外热像仪是对运行设备进行无接触检测的一种设备。使用远红外热像仪 可以得到电气设备、阀门、保温、电动机、轴承以及处于探测温度范围内的 2 第一章绪论 任何设备的热像图。例如，发电厂利用远红外热像仪可对锅炉热保温部分、 蒸汽管道、热风道、输煤皮带、阀门、电气控制盘及电缆接头等进行扫描检 测。 2 、激光雷达遥感 激光雷达是将激光束打在十米至几公里之外的目标靶标、烟雾层或气体云等 上。进而依据背射光的探测推断计算云层或靶标的距离和组成。如果利用光 谱波长的控制，则可调谐的激光雷达便可以探测到大气或烟尘中的臭氧、水 气和其他污染气体。另外，激光雷达还可被用来作为测速的警用激光雷达。 3 、医学、生物学 现阶段，红外技术已经应用于医学和生物学，并体现出了其独有的优势。例 如，激光产生的中远红外能量可以被组织和肽键所吸收，因此可以用于皮肤 图层和其他的皮肤病外科手术；另外，远红外技术还可以产生高分辨率软组 织成像，指导治疗和减少不确定的成像。 4 、传感网 传感网作为一项新兴的研究课题，越来越受到广泛的关注。传感网是将传感 器、数据处理单元和通信单元的小节点通过自组织的方式构成的无线网络。 无线传感网技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略技术，在军事、 国家安全、环境科学、城市信息化等利于有着广泛的应用。而传感器作为传 感网组网的基础节点，对传感网的性能、可靠性等方面起着决定性的作用。 由于远红外技术在各个领域的广泛应用，使得人们对于远红外信号的处理方 法进行了深入的研究。人体时刻都在向外界发射远红外线，据相关测定：由人体 发射的远红外线波长大约在9 6 m 左右，而为了将检测到的远红外信号转化为 电信号则需要借助于红外传感器。而热释电红外传感器( p l r ) 是一种广泛应用于 红外光谱仪、红外遥感技术以及热辐射探测器等方面的传感器，以其低廉的价格、 技术性能稳定因而受到更多的关注，广泛应用于各种自动化控制装置中，既可当 作红外激光的一种较理想的探测器，又可以用于防盗报警及非接触式丌关等红外 领域。项目中所使用的红外传感器即为热释电红外传感器。 热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽 酸锂、硫酸三甘钛等制成的探测元件。 3 新型二元红外传感控制器的研制 热释电传感器利用的是热释电效应 2 1 ，是一种温度敏感传感器，它由陶瓷氧 化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器检测范围内温度有 r 的变化时，热释电效应会相应在两个电极上产生电荷a q ，也就是在两电极 之间产生微弱电压信号a v 。由于其输出阻抗极高，所以在使用时，传感器中会 利用一个场效应管进行阻抗变换。当环境温度稳定不变时，丁一0 ，由热释电 效应产生的电荷a q 便会和空气中的离子所复合而消失，传感器则无输出。而当 人体进入探测区时，由于人体温度与环境温度存在差别，产生z 的差异，则传 感器产生相应的信号输出；但当人体进入探测区域后静止不动，则温度没有变化， 传感器此时也没有输出，所以此类传感器只能检测到移动的人体或者动物。 热释电红外传感器的结构及内部电路见图1 1 ( b ) 所示。传感器主要有外壳、 滤光片、热释电元件p z t 、场效应管等组成。热释电元件p z t 将波长在 8 a n 1 4 a n 之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了传感器只对人体发 出的红外辐射敏感，在它的辐照面通常安装有特殊的菲涅尔透镜( 利用透镜的特 殊光学原理，在探测器前方产生交替的“盲区 和“高灵敏区一，当人体经过透 镜前时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区 进入“高灵敏区 ，使接收 到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入) ，以使环境的干扰受到明显的抑制。 红外线通过菲涅尔透镜增强后聚集到热释电元件，元件在接收到人体红外辐射变 化后便会失去电荷平衡，向外释放电荷，所释放的电荷再经过变换，成为电压信 号，然后再将此电压信号经过放大，滤波，经检测处理后便可以产生报警信号。 被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两 个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，可 以使其产生热释电效应相互抵消，这样也就最大限度的减少环境背景辐射对热释 元件的影响吲。 4 第一章绪论 叵 a ( a )o h ) 图1 1a 热释电红外传感器实物图b 热释电红外传感器结构图 区别于主动式红的外传感器，被动式红外传感器本身不会发出任何类型的辐 射，且隐蔽性好，器件功耗低，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也存在不 可忽略的缺点，如： 。 l 、信号幅度非常小，容易受到各种热源、光源等的干扰： 2 、被动红外穿透力低，人体的红外辐射在被遮挡时，不易被探头接收； 3 、容易受到射频辐射的干扰，如对讲机等； 4 、当环境温度与人体温度比较接近时，探测器的灵敏度会显著下降，可能 会造成短时失灵等情况； 5 、被动红外探测器的检测的运动方向为横向运动，对径向方向运动的物体 检测能力比较差，在安装使用时需要特别的注意。 针对其存在的这些缺点，本项目提出了二元差分式被动探测的方式，最大限 度的减小了上述缺点对探测器功能的影响并且加入了特定的算法，满足不同场合 的使用需求。 1 3 人体远红外的主要信号处理方法 1 3 1 线性滤波放大的处理方法 目前，利用线性滤波放大的方法是在人体远红外信号处理系统中的一种常见 的方法，已经有很多牛产商根据不同的热释电e i j , i , 传感器的特性设计了专用的信 5 爨 新型二元红外传感控制器的研制 号处理电路，如h o l t e k 的h t 7 6 1 x 、w e l t r e n d 的w t 8 0 7 2 、p t i 的p t 8 a 2 6 x x p 和 b i s s 0 0 0 1 等。这些专用的远红外信号处理器模块基本上都主要由运算放大器、 窗口比较器、线性稳压器及一些逻辑控制电路组成。考虑到远红外信号的变化比 较缓慢、幅值相对较小( 大约几十微伏到几豪伏) ，为了能使相应的处理电路能做 有效地处理，并结合热释电红外传感器的信噪比( 一般增益选在l o o d b 左右，带宽 基本上为0 1 h z - l o h z ) 。由于电源上的噪声可能会直接加到热释电红外传感器的 输出端，如图1 1 b 所示，为了保证能使后面放大器的工作稳定、可靠，上述处 理器也都集成了稳压器( 经常在热释电红外传感器外部电路的电源端做一级滤波 处理如图1 2 所示) 。 为了得到人体远红外信号处理中的噪声模拟及系统参数，首先采用了线性滤 波放大的方法搭建了硬件板卡，其相应的p c b 测试板和电路原理图如图1 2 1 和 1 2 2 所示，系统采用了公司自行研制的红外信号处理芯片i v 0 2 0 1 ( 滤波放大电 路，参与设计并完成流片) 、电源管理芯片i v o l 0 3 和i v o l 0 4 搭建( 热释电红外传 感器置于电路板背面) 。 经过测试，系统工作稳定，探测范围在1 5 - 2 5 m 左右( 未使用菲涅尔透镜) 为之后的双路差分式探测的研究提供了良好的设计基础。 由图1 2 1 和1 2 2 可以看出，虽然以这种方法实现的电路相对简单，但是 需要使用大量的电阻和电容，占用了非常多的p c b 板面积，这必然导致其使用场 合受限。 图1 3 1 线性滤波放大方法的测试p c b 电路 翟 第一章绪论 图1 3 2 采用线性滤波放大方法搭建的电路图 1 3 2p g a + a d c + d s p 的处理方法 在红外信号的处理过程中，对于传感器输出的信号，往往先使其通过放大器， 然后通过模数转换器模块( a d c ) 来实现一些特定的功能，放大器的增益往往取决 于后端的处理( 最终的模数转换的方法) 1 4 1 。在线性滤波方法中后端采用的模数转 换方法是简单的比较器，所以往往要求前置放大器必须具有较大的增益。对于稳 定性要求更高的场合，可以采用高精度的模数转换器( a d ) 代替比较器得以进行 更高级的数字信号处理，并利用数字信号处理( d s p ) 部分进行高级的信号判断、 识别以给出更加详细的探测信息。 在现行的处理方法中，已经将p g a 、a d c 、d s p 集成为一颗单芯片m c u ，较分 7 一麟阿|lb譬 新型二元红外传感控制器的研制 立的处理电路而言，单芯片m c u 实现了更低的功耗、更低的成本、更小的体积、 易于设计和控制等优点。但是相比于线性滤波的方法，它的功耗和成本还是相对 较高。图1 2 3 所示为一种典型的利用t i ( 德州仪器) 生产的m s p 4 3 0 f 2 0 0 3 实现 的人体远红外信号处理的电路。由图可以看出，这款m c u 集成了1 6 位a d 转换 器，使得测量的精度得到进一步的提高，另外，该处理电路不要求前置放大器提 供很高的增益。 图1 3 3p g a 榭山c + d s p 的处理方法 上述实现的红外信号探测处理的方法由于受到m c u 价格的限制，经常使用在 高端领域，在低成本的领域其使用受到很大的限制。 1 3 3 微波红外双鉴探测 微波一被动红外复合的探测器是将微波和红外探测技术集成与一体。在控制 范围内。只有两种报警技术的探测器同时产生报警信号时，才能输出报警信号。 它既能保持微波探测器的可靠性强、与热源无关的优点又集成被动红外探测器无 需照明和亮度要求、可昼夜运行的特点，大大降低探测器的误报率。如图1 3 4 为红外微波复合探测器的原理图，其中主要包括信号接收、信号处理、信号输出 模块，微波探测模块、红外探测模块、电源模块： 8 第一章绪论 图1 3 4 双鉴探测器原理框图 双鉴探测器以其特有的优点广泛应用于生产生活中，但是由于它并非完全被 动式的探测元件并且设计到较多的功能部件，在价格、功耗、体积等方面存在着 它的局限性。 1 4 论文的主要内容、意义及已经完成的工作 项目信号探测部分( i v 0 2 0 0 ) 旨在开发一款低成本、低功耗、高可靠性、高精 度的新型感知控制器件。为传感网的实现提供一种简单可行、可靠性高的方式。 以双路探测电路为基础，将探测到的信号作为物体定位的基础，经过对接收信号 的滤波放大处理，然后以一定的算法实现对物体角度的判断。在项目立项前，已 经参与了一款线性滤波放大电路的设计，并通过对所搭建的测试板的进行测试， 得到相关信号及相关噪声数据。 设计主要指标为：工作电压5 v ( 根据传感器最低供电电压而定) 、系统功耗 4 m w 、信号幅度5 0 u v - l o m v 、噪声强度l o m v 左右、系统带宽l o h z 等。 所设计的处理系统的结构框图如1 2 4 所示( 由于两路原理基本相同，只给 出一路说明) 。电源部分由d c d c 通过低压差线性稳压器提供，传感器采用热释 电红外传感器( p i r ) ，系统采用多速率的开关电容放大器来实现窄带宽的滤波及 较大的放大倍数，系统一共安排了十三级的开关电容滤波器和十二级的抽取滤波 器，并在第六和第七级之刚插入运算电路( 差值和均值) ；另外，在系统的前级， 9 新型二元红外传感控制器的研制 为了防止混叠现象安排设计了一级抗混叠滤波器。为防止系统饱和，在系统定义 阶段通过对各级输出的分析，在双路系统中各接入一个可编程增益放大器( p g a ， 片外反馈设置) 。环路失调电压的调整主要是利用数字控制来实现系统失调电压 的最小化要求。 厂 低压差线性稳压器( l d o ) 上上 上上上 l 红外传感器h 抗混叠滤波器h 开韫愁凝路h 运算电路h 开韫磁凝路 jlj。 上 环路失调电压调整 经滤波放大、运算处理后可识别信号 图1 4 1 系统结构框图 整个设计采用自顶而下( t o p d o w n ) 的设计方法。 项目已完成如下工作： 1 、分析熟悉了远红外信号的几种常用的主要处理方法； 2 、参与了一种线性滤波放大电路的开发，并完成了该系统的信号测试p c b 电路的搭建，并得到相关数据，为双路红外探测提供可靠的数据基础； 3 、完成远红外信号系统的分析与建模； d 、完成电路各个模块的设计； 5 、参与电路版图的设计。 设计采用华虹n e cc z 6 h0 3 5 u m5 vc m o s 工艺。 1 5 本章小结 本章主要介绍了红外技术的发展概况，及其在一些相关领域的主要应用。针 对现阶段市场应用比较广泛几种红外信号处理方法作出简要介绍，并根据实际的 功能需求，分析红外信号的特点，提出了利用多速率开关电容滤波器实现的二元 式的红外信号处理方式。 1 0 第二章系统的设计与实现 2 1 系统的定义 第二章系统的设计与实现 该项目信号探测部分( i v 0 2 0 0 ) 旨在开发一款低成本、低功耗、高可靠性、 高精度的新型感知控制器件。为传感网的实现提供一种简单可行、可靠性高的方 式。本项目以双路探测电路为基础，将探测到的差分信号和均值信号做为物体定 位的基础，通过一定的算法( 见2 2 节) 实现对物体角度的判断( 单颗芯片完成) 。 在单芯片探测的基础上实现组网式的探测，结合本项目中的“信号处理单元模块 ( 由另外一位同学负责) 即可对物体所处状态的具体信息做出准确的判断，并 给出较详细数据。 本项目主要针对热释电红外传感器的最小信号幅度5 0g v ，频率在0 1 h z 到 1 0 h z 之间。 在信号探测方面，本项目采用的是双路差分式的探测方式。以差分的方式实 现对自身温度变化、背景物体等噪声干扰的有效抑制，并且要求摆脱菲涅尔透镜 的使用，从而大幅度减小系统的体积，以此提高传感器的探测性能，降低传感器 的功耗。 在红外信号处理方面，摆脱了传统的利用线性滤波放大( 稳定性差、需要大 量的外围器件，难以集成) 、p g a + a d c + d s p ( 成本高、功耗高) 以及双鉴探测 器( 集成微波和被动红外探测，成本高、功耗大) 等方式实现。采用了多速率开 关电容滤波器结合抽取滤波器的信号处理方法。其系统框图( 未加电源部分) 如图 2 1 1 所示。 系统一共定义了1 3 阶开关电容滤波器，在对信号源进行处理前，先让其通 过一级抗混叠滤波器处理。在第6 阶滤波后对信号进行和值和差值运算。由于电 路匹配要求比较高，在第1 - 6 阶滤波电路中不能插入可变增益放大器( 防止下级 滤波器输入饱和) ，只在对信号进行运算处理后加入可变增益放大器。由于在第 1 - 6 阶中没有插入可变增益放大器，所以本项目对前置的抗混叠滤波器结构做了 处理。 由系统框图可以清晰的看出，双路的探测处理较单路探测处理有很大的区 别。双路的信号探测处理方式有效地降低了由于温度漂移等其他非探测温度变化 新型二元红外传感控制器的研制 引起的误报，很大程度上提高了红外信号探测处理的可靠性。 萎1 6 睁1 图2 1 1 电路的系统框图 电路( w 0 2 0 0 ) 最终实现的主要技术指标如下： l 、探测所得物体角度精度( 两路被动探测器相距0 0 6 m ) 5 。( 该芯 片主要创新点，即可探测到物体相对探测器所处的角度) ； 2 、分辨率( 探测精度) ，5 0 l o o u v , 3 、线性输出探测距离，0 5 m - 1 5 m ； 4 、两路探测的匹配度，至少2 1 0 0 0 , 5 、信号放大倍数，5 0 0 0 倍以上( 达到o 5 v 左右) ； 6 、信号通带宽度，0 1 h z - l o h z , 7 、组网后，物体空间位置的判断结果( 开机后响应速度、功耗、探测源 数量等) 。 项目的实施完成，可以对红外探测器及其相关组件的完善提供强大的技术 保障；突破传统的探测方式，实现对物体相对于探测器所处角度的探测。 2 2 系统探测处理的简要算法 系统拟采用多个组网测向站联合对目标进行定位，每个站点采用双路探测 1 2 第二章系统的设计与实现 ( 单颗芯片完成) ，对于多站，由于不同的站都将收到多个目标信号，因此，只 有在各站对同一日标的信号正确配对，才有可能经过复杂的计算做出正确的定位 计算。 本节将从三个方面对探测源的处理方式给出其简要的算法： 1 、将探测源等效为点源时，简要计算如下： 如图2 2 1 所示，m 为探测源，m l 、m 2 为两路红外探测器的输出电压， d 0 为两路红外探测器的距离，d l 为探测源到两路探测器的距离差。由于信号 强度和距离的平方为反比关系，可得： 以- 般 ( 2 1 ) a 角为所要求的物体角度 m 图2 2 1 点源等效计算图 如上图关系可得：c o s 彳- 笔揣 ( 2 _ 2 ) 由于a 远大于d o ，d l 得值，所以上式可以简化为： e o s a - o ( 2 3 ) 利用泰勒级数展开后对上述近似进行误差分析得误差结果为： a c o s a 。三缸一三塑a y( 6 x ；a o ，a y 。坐) ( 2 4 ) 新型二元红外传感控制器的研制 所以，( 三( 缸一缈) 弓缸) 当a = i m ，d o = o 0 6 m 时，误差小于3 5 ( a 越大误差越小) 。 z 、将珠硼源刁展剑线源时，简要计算如f ： 如图2 2 2 所示，m 为探测源，m 1 、m 2 为两路红外探测器的输出电压，设 探测源上单位温度系数为a ，r 为m 在极坐标中的半径， 得到m 能量积分为： m1，。了也。臼。cosoo-cos01+x(sinoo-sin01) ( 2 5 ) 杰厂p os i n 吼一x 。p o c o s o o 其中x 。卫! ! 垫刍二2 壁! 垫鱼 n c o s o , 一p o c o s 吼 则等效点在半径为等的圆上，同理 m2，；7岛口。一cosoo-cos01+x(sinoo-sino,) ( 2 6 ) 杰厂 p os i n o o x 似一p oc o s 吼j 。 其等效点在半径为等詈的圆上，两圆的交点可以认为是m 的等效点。 ， 。心，。 r 是 ， 1 、， l 卜 席p移、 kx ox i 彳2 图2 2 2 线源等效计算图 3 、利用三个探测点探测处理即可实现物体空间位置的准确定位： 1 4 第二章系统的设计与实现 其等效图如图2 2 3 所示： ， 。 h 苎竺 入 ! ! 3 2 3 电源的设计 图2 23 物体的空间定位等效图 在二元远红外信号处理系统中，电源部分的设计非常重要，电源模块的性能 将直接影响到系统工作的精度和可靠性。由于系统前级采用的是热释电红外传感 器，其结构示意图如图1 1 b 所示，电源上的噪声可能会直接加到热释电红外传 感器的输出端，因此系统的电源部分必须有特殊的处理方法才能为整个系统的设 计提供基础保证。在此，系统采用d c d c 结合l d o 的方法为整个系统提供一个干 净的电源，从而保证系统的正常工作。d c d c 部分由单节充电电池为其供电( 输 入电压为1 2 v ，输出电压为6 v ) ，将d c d c 的输出作为l d o 的输入电压，电源部 分框图如图2 3 1 所示： l 刎 一脚 b o o s t 部分 i l d o 爿= q i l 图2 3 1 电源部分框图 新型二元红外传感控制器的研制 2 - 3 1 线性稳压器 如图2 2 1 所示，其中d c d c 升压部分即b o o s t 部分是公司定制模块经过修 改后得到，具体设计方法不在本论文中详细阐述，因此在本文中将主要对低压差 线性稳压器( l d 0 ) 给出详细的设计阐述。在系统设计阶段，主要考虑低压差线性 稳压器的系统参数，考虑到系统的功耗，在系统设计阶段初步设定的低压差线性 稳压器的指标为，一5 0 m a ，础4 ，一2 5 m a 。 稳压器是一种输出电压恒定的电压源，它能够随着负载电阻的改变而改变自 身内阻，从而输出一个恒定的电压值，其原理图如图2 3 2 所示，恒压源的内阻 必须远小于外电路负载( 心 r m ) ，只有这样才能保证负载电阻在一定范围内 变化时，输出电压是一个恒定的值【1 l l 。 陆 图2 3 2 恒压源原理图 由上图司得出电压源的输出表达式为： 。星 ( 2 训 r 当r 训呻时，最大的输出电压等于输入电压。随着负载电阻的降低。输 出电压也随之降低。 定义输出电压误差率e 加如下式： e ，o 一鳖粤墨业1 0 0 ( 2 2 ) y 。o u t - i l t l 缸 如果用代替一眦，并且用式( 2 1 ) 代替一删，则输出电压误差率就可 以用心和尺拗表示，如下式所示： 1 6 第二章系统的设计与实现 一壶1 慨 ( 2 - 3 ) 由上式可知，为了使电压误差率能够最小，需要一个能够感应负载变化的电 路，并且通过反馈调整可变内阻，使其与负载的比值为一常量，则如和r 一成 为一线性关系。这就是基本的线性电压变换器的原理。 2 3 2 低压差线性稳压器( l d o ) 低压差线性稳压器l d 0 ( l o wd r o p o u tv o l t a g er e g u l a t o r ) 是一种输入电压 大于输出电压的直流线性稳压器，具有输入输出响应快、输出噪声低、外接元件 少、使用方便等优点。 本节将针对p m o s 管做为调整管的典型的低压差线性稳压器做为研究对象， 实际电路实现中亦采用这种补偿。 低压差线性稳压器主要分为四个基本的电路模块【9 l ( 如图2 3 3 给出了其结 构示意图) 。 图2 3 3p m o s 调整管的线性稳压器结构示意图 1 、基准电压源模块【1 2 ( v o lt a g er e f e r e n c e ) 基准电压源是稳压器电路开始工作的基础，在稳压器电路中起着非常重要的 作用。基准电压源通常采用带隙结构来实现，因为这种设计结构能够使电路工作 在低的电源电压下，并且具有比较高的精度和热稳定性，完全能够满足稳压电路 的特性要求( 在通常设计中，带隙基准源的电源灵敏度 1 9 国口 3 g 2 每 1 e 彩巧 1 翻访1 k1 0 kl g c k m 秆蚂h 2 图3 3 2 运算放大器的频率响应 ： - ：i 丌( n e 坳3 ) i 九2 窖叠n3 0 0 n4 0 穿n l i m e ( 暑) 、 图3 3 3 运算放大器的瞬态响应 根据图3 3 3 可以看出，输出在2 3 5 n s 时达到稳定，精度达到了1 ，满足 系统设计要求。 如图3 3 4 为抗混叠滤波器的频率响应仿真结果， 第三章电路的设计与实现 匀d 囊j 一，寥a 幕孵g 一明i 口 一蚰g i o 口口 一 夸 一瑚 善 、一一瑚 一螂 一啪 图3 3 4 抗混叠滤波器的频率响应 3 4 系统时钟电路及开关的设计 3 4 1 时钟电路的设计 在开关电容滤波器中使用的时钟必须是两相互不交叠时钟跚，其产生电路如 图3 4 1 所示： 图3 4 1 两相互不交叠时钟产生电路 根据第二章中阐述的，第一级开关电容滤波器的输入时钟为：1 1 f l - i z ，其仿 真图如3 4 1 所示： 4 l 新型二元红外传感控制器的研制 6 昏 西 v2 昏 露浮 b 摩 5 辱 v2 辱 一1 9 _ ：v r ( ”，n e t 9 ”) 图3 4 2 两相互不交叠时钟的仿真结果 图3 4 2 中分别为输入时钟1 1 l 蛀l z 及产生的两相不交叠时钟。 抽取滤波器中的时钟控制是将现有的时钟信号的通过一个二分频电路实现 m 。我们采用d 触发器来实现二分频的设计，然后再通过一定的逻辑电路产生想 要的时钟信号，其电路如图3 4 3 所示： w d v h 图3 4 3 抽取滤波器时钟产生电路 第三章电路的设计与实现 图3 4 3 抽取滤波器时钟产生电路中d f f 电路 如图3 4 4 为抽取滤波器中时钟电路的仿真结果，根据其两个开关控制时钟 的信号特性，可以很清楚的表现出抽取滤波器的工作原理与特性( 见3 5 节) 。 6 o ? v t ( ”n e l l l ) -， 一、 4 哆 一 2 4 0 0 8 g 5 ，4 、r2 a 一1 廖 8 谚 5 d 。2 圆 一i a - ：v 1 ( ”n e 切9 7 ”) 门：厂 二：广 a 西1 a u 2 g u 3 咖 量u i l n n 9 ( 口， 图3 4 4 抽取滤波器时钟仿真结果 3 4 a 开关的设计 系统中的一个使用最多的关键部件就是开关，我们采用m o s 工艺来实现开 关。由c m o s 工艺实现的开关如图3 4 5 所示，它由n 管和p 管共同组成，c l k l 和c l k 2 是两个反相时钟。通常在开关的设计中必须考虑两个问题：建立时间和 线性度。我们知道，为了电容能在最短的时间内达到稳态，需要开关管的宽长比 新型二元红外传感控制器的研制 尽可能大( 减小导通电阻) 。与此同时，面积会随之增大，而面积的增大必然导致 明显的线性失真。 1 图3 4 5c m o s 互补开关 在设计时，必须调整开关的尺寸和串联电容匹配并且考虑建立时间和线性 度，模拟寻找合适的宽长比。系统设计中，我们选择开关管的l = i o n ，p 管和n 管的宽长比的比例为2 5 。 3 5 抽取滤波器的设计 在第二章中已经确定使用均方根方法来实现抽取滤波器，其电路如3 5 1 所示，